三相異步電動(dòng)機(jī)的節(jié)能改造

徐 健 羅 賽

(重慶大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，重慶400045)

三相異步電動(dòng)機(jī)的節(jié)能改造

徐 健 羅 賽

(重慶大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，重慶400045)

介紹了三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理和節(jié)能方法。通過(guò)采用可控硅節(jié)能器，可以節(jié)約大量電能。

三相異步電機(jī)；節(jié)能；可控硅節(jié)能器

異步電機(jī)一般都作電動(dòng)機(jī)用，因?yàn)楫惒桨l(fā)電機(jī)的性能較差。異步電動(dòng)機(jī)有三相和單相兩種。異步電動(dòng)機(jī)在工農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、國(guó)防工業(yè)以及其他各行各業(yè)中應(yīng)用非常廣泛。和其他電動(dòng)機(jī)比較，異步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、運(yùn)行可靠和價(jià)格低廉等一系列優(yōu)點(diǎn)。特別是和同容量的直流電動(dòng)機(jī)相比，異步電動(dòng)機(jī)的重量約為直流電動(dòng)機(jī)的一半，而其價(jià)格僅為直流電動(dòng)機(jī)的1/3。但是，異步電動(dòng)機(jī)也有一些缺點(diǎn)：不能經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)范圍較廣的平滑調(diào)速；必須從電網(wǎng)吸取滯后的勵(lì)磁電流，使電網(wǎng)功率因數(shù)變壞?？偟恼f(shuō)來(lái)，由于大多數(shù)生產(chǎn)機(jī)械并不要求大范圍的平滑調(diào)速，而電網(wǎng)的功率因數(shù)又可以采取其他辦法來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償，因此，三相異步電動(dòng)機(jī)仍不失為電力拖動(dòng)系統(tǒng)中一個(gè)極為重要的元件。

1 三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理

直流電動(dòng)機(jī)的工作原理是通過(guò)一種靜止的磁場(chǎng)與以傳導(dǎo)方式通入電樞繞組中的電流相互作用而產(chǎn)生一種恒定方向的電磁轉(zhuǎn)矩，來(lái)實(shí)現(xiàn)拖動(dòng)作用。三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理就是通過(guò)一種旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與由這種旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)借助于感應(yīng)作用在轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)所感應(yīng)的電流相互作用，以產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩來(lái)實(shí)現(xiàn)拖動(dòng)作用。

三相異步電動(dòng)機(jī)的定子鐵心上嵌有對(duì)稱三相繞組，在圓柱體的轉(zhuǎn)子鐵心上嵌有均勻分布的導(dǎo)條，導(dǎo)條兩端分別用銅環(huán)把它們連接成一個(gè)整體。當(dāng)對(duì)稱三相繞組接到對(duì)稱三相電源以后，即在定子、轉(zhuǎn)子之間的氣隙內(nèi)建立了以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。由于轉(zhuǎn)子上的導(dǎo)條被這種旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條內(nèi)會(huì)感應(yīng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，若旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，根據(jù)右手螺旋定則，可以判明轉(zhuǎn)子上半部導(dǎo)體中的電動(dòng)勢(shì)方向，都是進(jìn)入紙面的，下半部導(dǎo)體中的電動(dòng)勢(shì)都從紙面出來(lái)的。因?yàn)檗D(zhuǎn)子上導(dǎo)條已構(gòu)成閉合回路，所以轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中就有電流通過(guò)。如不考慮導(dǎo)條中電流與電動(dòng)勢(shì)的相位差，則電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)方向就是電流的瞬時(shí)方向。根據(jù)安培定律，導(dǎo)條在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中，并載有由感應(yīng)作用所產(chǎn)生的電流，這樣導(dǎo)條必然會(huì)受到電磁力。電磁力的方向用左手定則決定。轉(zhuǎn)子上所有導(dǎo)條受到的電磁力會(huì)形成一個(gè)逆時(shí)針?lè)较虻碾姶呸D(zhuǎn)矩。于是轉(zhuǎn)子就跟著旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速為n。如轉(zhuǎn)子與生產(chǎn)機(jī)械連接，則轉(zhuǎn)子上受到的電磁轉(zhuǎn)矩將克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩而作功，從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)電能量的的轉(zhuǎn)換。

2 三相異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率與節(jié)能方法

2.1 三相異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率

三相異步電動(dòng)機(jī)是廣泛使用的一種動(dòng)力機(jī)械，目前雖然我國(guó)的能源產(chǎn)量位于世界的前列，但單位能源創(chuàng)造的GDP卻不高，能源浪費(fèi)相當(dāng)嚴(yán)重，三相異步電機(jī)每年的耗電量占我國(guó)總耗電量的50%以上。在滿負(fù)荷工況條件下，電機(jī)的效率一般較高，通常在80%左右。然而，一旦負(fù)荷下降，電機(jī)的效率便隨之顯著下降，其中很大一部分電機(jī)還常常處于空、輕載狀態(tài)。電機(jī)選型時(shí)是按最大可能負(fù)荷和最壞工況所需的功率而定的，多數(shù)電機(jī)在大部分運(yùn)行時(shí)間的負(fù)荷率都在50%～60%，所以實(shí)際運(yùn)行時(shí)的效率都是比較低的。因此，提高這部分電機(jī)的運(yùn)行效率，有著巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

2.2 三相異步電機(jī)的節(jié)能方法

下面介紹異步電機(jī)的四種主流節(jié)能方法。

2.2.1 并接電容器

電機(jī)可以被等效看成電感和一個(gè)電阻的串聯(lián)電路，在串聯(lián)的電路里面可以在兩端并接上一個(gè)電容C，此并聯(lián)電路等值輸入端復(fù)導(dǎo)納為：

(1)

(2)

式中，R是等效的電機(jī)電阻；ω是定子轉(zhuǎn)速；L是等效電感；C是并接電容。

當(dāng)式(1)虛部為零，即滿足式(2)時(shí)，電路就會(huì)發(fā)生諧振，這時(shí)候電路當(dāng)中的無(wú)功功率就會(huì)得到完全的補(bǔ)償，也可以減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊，降低不必要的損害。電感中的滯后的無(wú)功功率與電容中超先的無(wú)功功率大小相等，彼此間進(jìn)行能量的完全交換，此時(shí)功率因素最高。從節(jié)能的角度看，這個(gè)時(shí)候最好。但此時(shí)電路處于諧振狀態(tài)，其諧振頻率f0為：

(3)

諧振時(shí)由于電納等于零，所以輸入復(fù)導(dǎo)納只有實(shí)部，也就是電路相當(dāng)于一個(gè)電阻。并聯(lián)電路在諧振頻率附近呈現(xiàn)高的阻抗值，因?yàn)殡娐穬啥吮厝粫?huì)呈現(xiàn)出高電壓，使得三相異步電機(jī)發(fā)生損壞。例如，電流過(guò)大、溫度過(guò)高燒毀轉(zhuǎn)子，所以應(yīng)該避開諧振點(diǎn)。正確選擇C還應(yīng)考慮L和R隨負(fù)載的變化情況，因隨著負(fù)載的增加L基本不變，而R增大，相應(yīng)地C減小，所以可用來(lái)確定所并電容的最大值。如電容量過(guò)大，當(dāng)拉開開關(guān)時(shí)，電動(dòng)機(jī)因與電容器并聯(lián)而得到勵(lì)磁，產(chǎn)生過(guò)電壓影響絕緣壽命。如立即合閘，更因相位差異的緣故，將產(chǎn)生極大的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩，在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子慣性大時(shí)，將使連軸器損壞。

并接電容可節(jié)約無(wú)功功率，從而提高功率因數(shù)，設(shè)備簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是可能出現(xiàn)振蕩。要避免振蕩，C應(yīng)選大些。但C過(guò)大又將產(chǎn)生過(guò)電壓及過(guò)大的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩，且不便于隨負(fù)載的變化改變電容量。

2.2.2 同期補(bǔ)償器

采用同期補(bǔ)償器，可通過(guò)調(diào)節(jié)有功和無(wú)功的相角來(lái)達(dá)到提高功率因數(shù)的目的。它通常裝于大型區(qū)域變電所中，其最大的缺點(diǎn)就是具有旋轉(zhuǎn)部分。在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上有有功功率損耗。滿載時(shí)有功功率損耗占額定功率的1.8%～5.5%。在50%負(fù)載時(shí)，有功功率損耗占2.9%～8%。而在25%負(fù)載時(shí)，有功功率損耗則高達(dá)5%～15%。由于同期補(bǔ)償器僅在設(shè)備容量很大及其無(wú)功功率異常缺乏時(shí)才使用，所以這里不做過(guò)多的介紹。

以上兩種方法都是通過(guò)補(bǔ)償無(wú)功損耗來(lái)達(dá)到提高功率因數(shù)的目的。還可采用降低電動(dòng)機(jī)端電壓的方法。降低電壓即節(jié)約了無(wú)功功率，也減少了有功功率的損耗。

2.2.3 空載限制器和調(diào)壓器

當(dāng)電機(jī)長(zhǎng)期空載時(shí)，可采用空載限制器將電機(jī)自電路上切除。則線路上有功無(wú)功需要量顯著減少。其缺點(diǎn)是對(duì)電網(wǎng)沖擊極為嚴(yán)重。用調(diào)壓器可隨負(fù)載變化調(diào)壓，但不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。且調(diào)壓器容量必須大于電動(dòng)機(jī)容量，其本身就要消耗大量功率，成本也太高。所以用調(diào)壓器不現(xiàn)實(shí)。

2.2.4 可控硅調(diào)壓裝置

該裝置可實(shí)現(xiàn)電機(jī)端電壓隨負(fù)載大小的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)。利用負(fù)載電流的大小來(lái)反應(yīng)電機(jī)的負(fù)載情況，取負(fù)載電流的指令用反饋控制可控硅導(dǎo)通角來(lái)達(dá)到隨電機(jī)負(fù)載變化調(diào)節(jié)端電壓的目的。

采用此方案的異步電動(dòng)機(jī)等值電路是用可控硅降壓將正弦波切斷，導(dǎo)通角越小，可控硅輸出端電壓越低。因?yàn)楫?dāng)改變電壓時(shí)機(jī)械損耗P0不變，鐵耗和附加損耗(PF0+PM)正比于V2。定子銅耗Pcu1，正比于I2。而電機(jī)輕載降壓時(shí)I下降，所以Pcu2下降。轉(zhuǎn)子銅耗Pcu2=SPM，降壓時(shí)S上升。但輕載時(shí)S變化很小，所以在輕載時(shí)電壓變化引起的Pcu2的變化可忽略不計(jì)。這樣，降壓的結(jié)果會(huì)使Pcu1和Pcu2大大降低。所節(jié)約的有功損耗就是這兩項(xiàng)損耗降低的結(jié)果。無(wú)功損耗Q近似與V2成正比，V下降會(huì)使Q大為降低，從而提高了電機(jī)的效率和功率因數(shù)。

用可控硅節(jié)能器調(diào)壓的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)觸點(diǎn)，無(wú)噪音，體積小，損耗低，對(duì)電網(wǎng)無(wú)沖擊。電壓可隨負(fù)載變化隨時(shí)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，電能在裝置跟隨良好的情況下基本上能得到充分利用。這是前三種方法所不及的，是一種很有發(fā)展前途的異步機(jī)節(jié)能方法，其缺點(diǎn)是主電流流經(jīng)可控硅節(jié)能器，影響裝置的運(yùn)行。但隨著電子工業(yè)的發(fā)展，可控硅節(jié)能器的可靠性及成本問(wèn)題都將得到解決。

3 節(jié)能器的原理與軟硬件設(shè)計(jì)

現(xiàn)階段最為可行的就是采用可控硅節(jié)能器，其應(yīng)用在我國(guó)比較廣泛。

3.1 節(jié)能原理

電機(jī)的效率是電機(jī)輸出功率與輸入功率比值的百分?jǐn)?shù)。因此供給電機(jī)的電能(輸入功率)并不僅用來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)(輸出功率)，還有一部分將成為電機(jī)固有的損耗。電機(jī)的主要損耗為銅耗和鐵損，其中銅耗是電流流過(guò)電機(jī)繞組而產(chǎn)生的，與電流的平方成正比；鐵損是由于定子和轉(zhuǎn)子鐵芯中的磁化電流而產(chǎn)生的，與供電電壓成正比。其它損耗很小可忽略。調(diào)壓節(jié)電原理是當(dāng)負(fù)荷下降時(shí)，可以適當(dāng)降低電源電壓以減少鐵損，同時(shí)電流也隨之下降，減少了銅損及無(wú)謂的浪費(fèi)，此時(shí)電機(jī)的效率將得到改善。電機(jī)負(fù)荷的檢測(cè)通常采用功率因數(shù)法進(jìn)行：電機(jī)負(fù)荷大，則它的功率因數(shù)大；電機(jī)負(fù)荷小，則它的功率因數(shù)小。

3.2 硬件設(shè)計(jì)

本控制器主要由三部分組成：一是可控硅及移相觸發(fā)電路部分，接收控制板的控制信號(hào)，實(shí)施交流電壓的調(diào)節(jié)；二是信號(hào)檢測(cè)板部分，接收傳感器的信號(hào)并進(jìn)行處理，得到標(biāo)準(zhǔn)電壓和電流的有效值及功率因數(shù)；三是單片機(jī)控制板部分，接收信號(hào)檢測(cè)板的信號(hào)，通過(guò)控制運(yùn)算發(fā)出控制信號(hào)到移相觸發(fā)電路，實(shí)施最佳功率因數(shù)控制。同時(shí)控制板還通過(guò)鍵盤顯示面板對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行修改，并顯示控制器運(yùn)行狀態(tài)。例如：從同步變壓器來(lái)的三相過(guò)零信號(hào)經(jīng)C1、C2、C3電容耦合到6V的直流信號(hào)上送入18、2、1腳。TC787對(duì)其進(jìn)行過(guò)零檢測(cè)，經(jīng)積分電容C4、C5、C6形成以過(guò)零點(diǎn)為起點(diǎn)的三角波，與由VR引入的觸發(fā)控制信號(hào)比較，再經(jīng)C7調(diào)制成觸發(fā)脈沖，由12、9、10、7、8、11腳輸出，由脈沖變壓器驅(qū)動(dòng)可控硅。此電路基于基絕對(duì)值電路，增加了濾波電容C1，將交流信號(hào)的絕對(duì)值變?yōu)槠骄?，合理設(shè)計(jì)R5的阻值，將平均值變?yōu)橛行е?。電壓信?hào)VA和電流信號(hào)IA經(jīng)與微電平信號(hào)REF比較，取得電壓和電流半周，經(jīng)RC濾波后由信號(hào)“或”電路形成含有功率因數(shù)角的信號(hào)，由單片機(jī)去除其中的電壓半周期，即得功率因數(shù)角。TLC0834是4路8位D轉(zhuǎn)換器，采集1路電壓和3路電流信號(hào)，LC5615是10位串行D/A，將控制量變?yōu)槟M電壓信號(hào)去控制可控硅交流調(diào)壓，X25045是含WDT和EEPROM 的多功能電路，負(fù)責(zé)單片機(jī)系統(tǒng)的安全監(jiān)視和重要參數(shù)的保護(hù)，SN75176是RS485接口，實(shí)現(xiàn)連網(wǎng)監(jiān)控。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)軟件采用C51語(yǔ)言編程。C51與匯編語(yǔ)言相比，有編程效率高、代碼易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。程序主要由鍵盤與顯示監(jiān)控部分、串行接口芯片驅(qū)動(dòng)部分和信號(hào)采集與實(shí)時(shí)控制部分組成。串行接口芯片驅(qū)動(dòng)部分，主要是根據(jù)芯片廠商時(shí)序圖，以單片機(jī)的I/0 口模擬串行口，以實(shí)現(xiàn)對(duì)串行芯片的讀寫操作。由于單片機(jī)l/0較多，各個(gè)芯片采用單獨(dú)的I/0信號(hào)。信號(hào)采集與實(shí)時(shí)控制部分，以實(shí)時(shí)時(shí)鐘為基準(zhǔn)，采集電壓電流信號(hào)對(duì)系統(tǒng)的安全進(jìn)行監(jiān)視。采集功率因數(shù)信號(hào)與最優(yōu)值比較，以PI控制算法進(jìn)行運(yùn)算，適時(shí)發(fā)出控制指令，對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)壓，使其運(yùn)行于高效率。

4 技術(shù)難點(diǎn)及解決方法

4.1 功率因數(shù)角的檢測(cè)

通常情況下電流波形是完整的，通過(guò)檢測(cè)電壓和電流過(guò)零點(diǎn)獲得的相位差即是功率因數(shù)角。但本控制器由于采用了可控硅交流調(diào)壓，當(dāng)導(dǎo)通角較小時(shí)，電流波形出現(xiàn)斷續(xù)，使電流過(guò)零檢測(cè)失效。為此，我們采取電流與微電平比較來(lái)獲取其正半周連續(xù)波形的部分，進(jìn)而取得近似的相位差。

4.2 電壓和電流有效值的檢測(cè)

一般按有效值的定義進(jìn)行檢測(cè)的電路需要用到模擬乘法器，因而電路比較復(fù)雜，成本也高。由于有效值和絕對(duì)平均值之間存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并且此處對(duì)檢測(cè)精度要求不高，故我們先檢測(cè)絕對(duì)平均值，再轉(zhuǎn)化為有效值。

4.3 強(qiáng)干擾下的系統(tǒng)加固

如果本電器工作在工廠的惡劣環(huán)境下，強(qiáng)電磁干擾會(huì)嚴(yán)重影響微機(jī)系統(tǒng)的正常工作，為此我們采取了多種保護(hù)措施：將數(shù)字電路部分單獨(dú)安裝在金屬機(jī)殼中，以屏蔽空間電磁干擾；選用優(yōu)質(zhì)開關(guān)電源和傳感器，以減少?gòu)木€路串入的干擾；在微電路中廣泛采用串行接口芯片，以簡(jiǎn)化電路板布線；采用廣泛使用的WDT電路，提高軟件抗干擾能力。

4.4 可控硅的移相觸發(fā)電路

在三相交流調(diào)壓電路中，一個(gè)很重要的指標(biāo)是三相平衡問(wèn)題。以前的三相交流調(diào)壓常采用3個(gè)單相移相觸發(fā)芯片設(shè)計(jì)(如TA785)，要細(xì)心調(diào)試才能達(dá)到三相平衡。我們采用最新推出的三相移相觸發(fā)芯片AT787，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，使該電路免于繁雜的調(diào)試。同時(shí)還采用了可控硅的強(qiáng)觸發(fā)技術(shù)，使其觸發(fā)得更準(zhǔn)確。

5 結(jié)語(yǔ)

變頻調(diào)速三相異步電機(jī)的調(diào)速技術(shù)用于風(fēng)機(jī)、水泵類機(jī)械，也用于機(jī)械加工行業(yè)和其他傳動(dòng)裝置的電機(jī)調(diào)速。如將變頻器制成防爆型，來(lái)控制隔爆型變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)，可以更廣泛的應(yīng)用在石油、化工和煤礦等行業(yè)。實(shí)踐證明，該項(xiàng)技術(shù)不僅提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)率和質(zhì)量，并且節(jié)約了大量能源。當(dāng)今社會(huì)倡導(dǎo)低碳節(jié)約，因此變頻調(diào)速三相異步電機(jī)有著廣泛的推廣和應(yīng)用價(jià)值。

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Energy Conservation Renovation for Three-phase Asynchronous Motor

XuJian,LuoSai

This paper introduces the working principle and energy conservation method of three-phase asynchronous motor. The controlled silicon economizer is applied to save a great amount of electric energy.

three-phase asynchronous motor; energy conservation; controlled silicon economizer

TM30

A

2010—06—02

編輯 杜青泉